Tchaïkovski a étudié au Conservatoire de Saint-Pétersbourg, où il fut l'élève de Anton Rubinstein. Sa première composition célèbre est la Cantate sacrée, sur des paroles d'Alexandre Pouchkine, composée en 1864. En 1866, il achevça sa première symphonie, intitulée « Pathetique », qu'il a dédiée à la mémoire de son père.
Tchaïkovski est surtout connu pour ses ballets, dont le plus célèbre est Le Lac des cygnes (1875-1876), qui met en scène les amours d'Odette et Odile et se conclut par un spectaculaire pas de deux. Les autres ballets populaires sont Swan Lake (1875-1876), La Belle au bois dormant (1889) et Le Jeu de l'enfant prodigue (1889).
En plus de sa production orchestrale, Tchaïkovski a écrit une grande quantité de musique de chambre. Ses œuvres les plus connues sont la Sonate pour violoncelle et piano no 3 (1877), la Sonate pour piano no 2 (1878) et la Sonate pour piano no 3 (1893).
Tchaïkovski a souffert toute sa vie d'une santé fragile et de problèmes psychologiques, notamment des crises existentielles. Il est connu pour avoir eu une correspondance suivie avec un psychiatre anonyme, dont il demanda l'aide à soigner son état mental. Bien qu'il ait eu plusieurs amours et relations, Tchaïkovski n'a jamais été marié et ne s'est jamais mis en couple stablement.
En 1893, Tchaïkovski a composé le Requiem Pathétique, sa dernière grande composition avant de mourir peu après de causes naturelles. Son enterrement a été considéré comme l'évènement le plus important du pays et il est enterré au cimetière de Tikhvin dans la nécropole des compositeurs célèbres.
Tchaïkovski a eu une influence profonde sur la musique occidentale, notamment sur les compositeurs français Claude Debussy et Maurice Ravel, qui ont adopté le style orientaliste dans leur production musicale. Sa musique est toujours populaire aujourd'hui et continue de fasciner les auditeurs grâce à sa beauté, sa puissance émotionnelle et son caractère romantique.